Desain sirkuit terpadu fotonik

Desain darifotoniksirkuit terpadu

Sirkuit terpadu fotonik(PIC) sering dirancang dengan bantuan skrip matematika karena pentingnya panjang lintasan dalam interferometer atau aplikasi lain yang sensitif terhadap panjang lintasan.PICdiproduksi dengan menerapkan pola beberapa lapisan (biasanya 10 hingga 30) pada wafer, yang terdiri dari banyak bentuk poligonal, yang sering direpresentasikan dalam format GDSII. Sebelum mengirimkan berkas ke produsen fotomask, sangat disarankan untuk dapat mensimulasikan PIC guna memverifikasi ketepatan desain. Simulasi dibagi menjadi beberapa tingkat: tingkat terendah adalah simulasi elektromagnetik (EM) tiga dimensi, di mana simulasi dilakukan pada tingkat sub-panjang gelombang, meskipun interaksi antar atom dalam material ditangani pada skala makroskopis. Metode yang umum meliputi domain waktu beda hingga tiga dimensi (3D FDTD) dan ekspansi mode eigen (EME). Metode-metode ini paling akurat, tetapi tidak praktis untuk keseluruhan waktu simulasi PIC. Tingkat berikutnya adalah simulasi EM 2,5 dimensi, seperti perambatan berkas beda hingga (FD-BPM). Metode-metode ini jauh lebih cepat, tetapi mengorbankan beberapa akurasi dan hanya dapat menangani perambatan paraksial dan tidak dapat digunakan untuk mensimulasikan resonator, misalnya. Tingkat selanjutnya adalah simulasi EM 2D, seperti FDTD 2D dan BPM 2D. Simulasi ini juga lebih cepat, tetapi memiliki fungsionalitas terbatas, misalnya tidak dapat mensimulasikan rotator polarisasi. Tingkat selanjutnya adalah simulasi matriks transmisi dan/atau hamburan. Setiap komponen utama direduksi menjadi komponen dengan masukan dan keluaran, dan pandu gelombang yang terhubung direduksi menjadi elemen pergeseran fasa dan atenuasi. Simulasi ini sangat cepat. Sinyal keluaran diperoleh dengan mengalikan matriks transmisi dengan sinyal masukan. Matriks hamburan (yang elemen-elemennya disebut parameter-S) mengalikan sinyal masukan dan keluaran di satu sisi untuk menemukan sinyal masukan dan keluaran di sisi lain komponen. Pada dasarnya, matriks hamburan berisi refleksi di dalam elemen. Matriks hamburan biasanya dua kali lebih besar dari matriks transmisi di setiap dimensi. Singkatnya, dari EM 3D hingga simulasi matriks transmisi/hamburan, setiap lapisan simulasi menghadirkan trade-off antara kecepatan dan akurasi, dan para perancang memilih tingkat simulasi yang tepat untuk kebutuhan spesifik mereka guna mengoptimalkan proses validasi desain.

Namun, mengandalkan simulasi elektromagnetik elemen-elemen tertentu dan menggunakan matriks hamburan/transfer untuk mensimulasikan keseluruhan PIC tidak menjamin desain yang sepenuhnya tepat di depan pelat alir. Misalnya, panjang lintasan yang salah perhitungan, pandu gelombang multimode yang gagal menekan mode orde tinggi secara efektif, atau dua pandu gelombang yang terlalu berdekatan sehingga menyebabkan masalah kopling yang tidak terduga kemungkinan besar tidak terdeteksi selama simulasi. Oleh karena itu, meskipun perangkat simulasi canggih menyediakan kemampuan validasi desain yang andal, hal tersebut tetap memerlukan tingkat kewaspadaan yang tinggi dan inspeksi yang cermat oleh perancang, yang dipadukan dengan pengalaman praktis dan pengetahuan teknis, untuk memastikan akurasi dan keandalan desain serta mengurangi risiko pada pelat alir.

Teknik yang disebut sparse FDTD memungkinkan simulasi FDTD 3D dan 2D dilakukan langsung pada desain PIC yang lengkap untuk memvalidasi desain tersebut. Meskipun sulit bagi alat simulasi elektromagnetik mana pun untuk mensimulasikan PIC berskala sangat besar, sparse FDTD mampu mensimulasikan area lokal yang cukup luas. Dalam FDTD 3D tradisional, simulasi dimulai dengan menginisialisasi enam komponen medan elektromagnetik dalam volume terkuantisasi tertentu. Seiring berjalannya waktu, komponen medan baru dalam volume tersebut dihitung, dan seterusnya. Setiap langkah membutuhkan banyak perhitungan, sehingga membutuhkan waktu yang lama. Dalam FDTD 3D sparse, alih-alih menghitung pada setiap langkah di setiap titik volume, daftar komponen medan dipertahankan yang secara teoritis dapat berkorespondensi dengan volume yang sangat besar dan dihitung hanya untuk komponen-komponen tersebut. Pada setiap langkah waktu, titik-titik yang berdekatan dengan komponen medan ditambahkan, sementara komponen medan di bawah ambang batas daya tertentu dihilangkan. Untuk beberapa struktur, komputasi ini dapat beberapa kali lipat lebih cepat daripada FDTD 3D tradisional. Namun, FDTD renggang tidak berkinerja baik ketika menangani struktur dispersif karena medan waktu ini menyebar terlalu luas, sehingga menghasilkan daftar yang terlalu panjang dan sulit dikelola. Gambar 1 menunjukkan contoh tangkapan layar simulasi FDTD 3D yang mirip dengan pembagi berkas polarisasi (PBS).

Gambar 1: Hasil simulasi dari FDTD sparse 3D. (A) adalah tampilan atas struktur yang disimulasikan, yang merupakan penggandeng arah. (B) Menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi kuasi-TE. Kedua diagram di atas menunjukkan tampilan atas sinyal kuasi-TE dan kuasi-TM, dan kedua diagram di bawah menunjukkan tampilan penampang lintang yang sesuai. (C) Menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi kuasi-TM.